馬占武　吳志麗（滄州師范學(xué)院　河北張家口　075000）

一種適用于人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)處理的平滑技術(shù)探索①

馬占武吳志麗
（滄州師范學(xué)院河北張家口075000）

摘 要：目的 探索一種在MATLAB基礎(chǔ)上的人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)處理方法。方法 通過MATLAB來讀取經(jīng)過由運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)所測量的人體運(yùn)動(dòng)行為的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，去掉誤差點(diǎn)，重新構(gòu)建在人體上黏貼的剛體相鄰的連接基，然后，運(yùn)用剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理計(jì)算出剛體姿態(tài)和剛體的方向余弦陣，從而得到剛體各個(gè)關(guān)節(jié)部位的屈伸、內(nèi)外展、內(nèi)外旋角位移、剛體運(yùn)動(dòng)的加速度和角速度。結(jié)果 該文通過深蹲和上樓梯為例，應(yīng)用海量人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)處理方法對下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，對該方法的有效性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)論 MATLAB的海量人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)處理方法能夠滿足對人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的處理，作為一種工具被用于人體測量和人機(jī)工程學(xué)。

關(guān)鍵詞：人體運(yùn)動(dòng)學(xué)人體測量數(shù)據(jù)處理平滑技術(shù)

吳志麗（1982，9—），女，回族，河北張家口人，碩士，講師，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)。

在人工關(guān)節(jié)的產(chǎn)品開發(fā)中，根據(jù)亞洲人的典型運(yùn)動(dòng)行為習(xí)慣，通過運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通過監(jiān)視跟蹤粘附于各個(gè)人體部位的標(biāo)記點(diǎn)來測量人體的下肢運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而得到人體上相關(guān)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。但是對傳統(tǒng)的大量相關(guān)行為標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間，同時(shí)也是對人力、財(cái)力和物力的消耗，因此，探索出一種對大量人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確高效的批量處理的處理方法非常關(guān)鍵。該文在MATLAB基礎(chǔ)上，探索出了一種可以通過對運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)所測量的人體相關(guān)部位的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行成批讀取的方法。為人體測量學(xué)、人機(jī)工程學(xué)等提供了分析工具。

1　資料與方法

1.1一般資料

選取了50名測試志愿者，其中男性30人，女性20人，年齡22～27歲，身高150～185cm，平均身高167 cm，體重40～90 kg，平均體重65 kg。

1.2儀器

采用運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對人體相關(guān)的下肢運(yùn)動(dòng)進(jìn)行捕捉。

1.3測量過程

讀下肢與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的7個(gè)部位：骨盆、左右大腿和小腿、左右腳，分別制作針對4個(gè)部位帶有四個(gè)標(biāo)記的剛體，對緊鄰的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行互相垂直連線，并進(jìn)行7個(gè)部位的定義。因?yàn)椋梭w在運(yùn)動(dòng)過程中，下肢的某些部位如大腿和小腿在下蹲時(shí)肌肉會(huì)擠壓和收縮而發(fā)生變形，所以，剛體黏貼在粘貼時(shí)要應(yīng)該貼在運(yùn)動(dòng)變形較小的部位，避免貼在關(guān)節(jié)變形和肌肉收縮膨脹的地方，不會(huì)影響運(yùn)動(dòng)，有利于減小測量誤差。對于攝像頭無法采集或者標(biāo)記點(diǎn)不方便黏貼的部位可以運(yùn)用專業(yè)的虛擬標(biāo)記點(diǎn)工具在剛體上設(shè)定特點(diǎn)的虛擬標(biāo)記點(diǎn)。首先要確定虛擬標(biāo)記點(diǎn)在人體的相關(guān)位置，然后系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)剛體坐標(biāo)對改點(diǎn)相對于剛體的空間進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，從而保持該點(diǎn)會(huì)隨著剛體的運(yùn)動(dòng)而不會(huì)產(chǎn)生坐標(biāo)改變，提前對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，要求剛體與虛擬標(biāo)記點(diǎn)的位置固定不會(huì)發(fā)生其他變化，因此要設(shè)置12個(gè)虛擬標(biāo)記點(diǎn)，他們分別是左右踝關(guān)節(jié)內(nèi)外髁、左右膝關(guān)節(jié)內(nèi)外髁、左右股骨大轉(zhuǎn)子和骨盆兩側(cè)髂前上棘。然后根據(jù)各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的位置定義它們的名稱，使得MATLAB讀寫更方便[2]。

做完準(zhǔn)備活動(dòng)之后，通過運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對志愿者的行為動(dòng)作以及虛擬標(biāo)記點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，方便后期處理[3]。

1.4批量讀取文件

通過MATLAB與Excel的宏關(guān)聯(lián)插件，使用數(shù)據(jù)讀取函數(shù)，對下肢行為運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，MATLAB與Excel通過宏關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取與處理的無縫連接，從而使數(shù)據(jù)處理變得更快、更方便、更高效[4]。

1.5數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理要分成兩步進(jìn)行，在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，主要是對運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中，在測量過程中由于遮擋或者其它原因造成的部分標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的缺失而造成的曲線斷開現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)據(jù)插值修補(bǔ)，從而保證數(shù)據(jù)的完整。要注意插值獲得的曲線要二階連續(xù)可導(dǎo)，保證通過這種計(jì)算得到的角速度、角位移和加速度隨時(shí)間的變化曲線能夠準(zhǔn)確連續(xù)。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，就要根據(jù)虛擬點(diǎn)坐標(biāo)來計(jì)算下肢骨骼解剖學(xué)參數(shù)[5]。

在計(jì)算關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)時(shí)，可以將這種算法等同于相對剛體之間的空間運(yùn)動(dòng)學(xué)來進(jìn)行計(jì)算。比如，右小腿剛體相對于右大腿的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算可以等效為右膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，右踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算可以等效為右小腿剛體相對于右足剛體的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。右大腿剛體相對于骨盆剛體的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算可以等效于右髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。在人體運(yùn)動(dòng)過程中，粘附于人體上的剛體也會(huì)隨著人體運(yùn)動(dòng)，也就是剛體的空間一般運(yùn)動(dòng)，這種方法適用于對人體各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。以剛體的位形坐標(biāo)陣來表示對剛體姿態(tài)的描述，根據(jù)空間幾何學(xué)知識和歐拉角定義可以對，髖關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中的關(guān)節(jié)角度，關(guān)節(jié)內(nèi)外展角度，關(guān)節(jié)內(nèi)外旋角以及關(guān)節(jié)屈伸角進(jìn)行一階求導(dǎo)和二階求導(dǎo)，進(jìn)入計(jì)算出，髖關(guān)節(jié)的屈/伸、內(nèi)外旋角速度、內(nèi)外展和角加速度[6]。

2　結(jié)果

通過以上的方法，可以對運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行幾次函數(shù)插值處理之后，可以構(gòu)建出黏貼于骨盆和右大腿的相鄰的剛體連接基，并將它作為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算的連體基和參考基；在剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上，通過對剛體姿態(tài)的基本描述，計(jì)算出人體行為運(yùn)動(dòng)下，人體各個(gè)關(guān)節(jié)的屈伸，內(nèi)外展，內(nèi)外旋角度，角速度以及角加速度。另外，通過應(yīng)用MATLAB對大量人群人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理的方法，對人體日常生活中下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析計(jì)算，運(yùn)用這個(gè)方法對50名志愿者在蹲坐時(shí)的關(guān)節(jié)曲展極限角度的平均值進(jìn)行計(jì)算。

3　討論

對人體運(yùn)動(dòng)的控制，一直是計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作領(lǐng)域中的具有挑戰(zhàn)性的研究熱點(diǎn)，尤其是近年來，隨著虛擬的顯示技術(shù)發(fā)展的快速推進(jìn)，人們對人體運(yùn)動(dòng)生成的實(shí)時(shí)性和效果的逼真性提出了更加迫切的要求?？茖W(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)了人體測量學(xué)和人體工程學(xué)在工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、服裝以及國防領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。這些設(shè)計(jì)的前提都要對人的行為運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)進(jìn)行很好的分析。雖然，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種對人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)處理的軟件都被開發(fā)利用，但是它們只能一個(gè)一個(gè)的進(jìn)行手工操作處理，浪費(fèi)大量人力和時(shí)間，不方便對大量數(shù)據(jù)的批量處理。因此，該文通過在MATLAB的基礎(chǔ)上，對人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的批量處理方法的開發(fā)，這種系統(tǒng)可以

對運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)讀取的標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后通過這些數(shù)據(jù)構(gòu)建連體基用來進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)計(jì)算，通過連體基和參考基來通過剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)對剛體的姿態(tài)進(jìn)行描述，為計(jì)算機(jī)對髖關(guān)節(jié)內(nèi)外展、內(nèi)外角//屈伸角速度和加速度的計(jì)算。并且通過應(yīng)用MATLAB的大量人群人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)批量處理的方法，對人體日常生活中下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析計(jì)算，運(yùn)用這個(gè)方法對五十名志愿者在蹲坐時(shí)的關(guān)節(jié)曲展極限角度的平均值進(jìn)行計(jì)算。這種方法能夠?qū)Υ笈康娜梭w運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的處理和分析，提高了海量人體運(yùn)動(dòng)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析的效率。

在對人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，由于觀測數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)測量中會(huì)存在一定的誤差，所以在計(jì)算一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生更大的誤差。如果計(jì)算方法不當(dāng)甚至?xí)霈F(xiàn)與實(shí)際情況大相徑庭的結(jié)果。因此，在MATLAB的基礎(chǔ)上使用人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)批量處理的方法能有效提高海量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析。

參考文獻(xiàn)

[1]尚鵬，白雪嶺.基于MATLAB的海量人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)批處理方法[J].醫(yī)用生物力學(xué)，2012，22（6）：67-68.

[2]洪迪安.一種適用于人體運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)處理的平滑技術(shù)[J].西安體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，19（4）：152-155.

[3]施寶興，魏文儀.影片數(shù)據(jù)平滑方法的研究——利用動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)積分平滑運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的方法[J].西安體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，26 （10）：903-905.

[4]王迪安，王云德，盧德明，等.對舉重生物力學(xué)分析中數(shù)據(jù)平滑方法的研究[J].湖北體育科技，2012，15（19）：335-336.

[5]施寶興.短跑途中跑支撐階段運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特征新研究[J].廣州體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，22（9）：103-105.

[6]宋偉，趙文，魏瑞晗，等.脊髓損傷恒河猴后肢步態(tài)數(shù)據(jù)處理方法的設(shè)[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐，2013，22（13）：222-223.

作者簡介：①馬占武（1982，5—），男，回族，河北張家口人，碩士，講師，研究方向：體育教育。

中圖分類號：G804.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-2813（2015）04（b）-0012-02